Содержание

Выбор электронной лампы по критерию низких искажений

Немаловажный вклад в нелинейные искажения вносят сами усилительные приборы — электронные лампы. Казалось бы, на первый взгляд об искажениях лампы можно судить по семейству ее статических характеристик. Например, семейство выходных (анодных) статических характеристик лампы, имеющие заметно различные промежутки между кривыми, снятыми при разном сеточном напряжении (при условии его изменения с фиксированным шагом), указывает на искажения. В то же время, лампа, обладающая более равномерными характеристиками, далеко не обязательно будет генерировать мало искажений. В конечном счете, разработчику остается либо использовать электронные лампы, специально разработанные для линейного усиления с малыми искажениями, либо самому проверять лампы на предмет искажений.

Специальные разработки ламп с малыми искажениями

Минимизирование искажений приводит к удорожанию производства электронных ламп, поэтому, когда разрабатывались электронные лампы с малыми искажениями, они были предназначены специально для создания высококачественной аудиоаппаратуры, которая включает как профессиональное студийное и звукозаписывающее оборудование, так и бытовую аудиотехнику повышенного качества.

В 1930-х годах, при разработке ламп во главу угла ставился коэффициент усиления, который в те времена у большинства ламп был достаточно низким. Все остальные показатели приносились в жертву в угоду коэффициенту усиления. Например, идея отрицательной обратной связи, имеющая в качестве последствия снижение коэффициента усиления, рассматривалась в те времена как ересь. Поэтому технические предложения Гарольда Блэка (Harold Black) на сей счет, хоть и были заверены 18-го августа 1927, но патент США не был выдан до 21-го декабря 1937.

Тем не менее, уже в те времена специально разрабатывались лампы особой конструкции, позволяющие получать малые нелинейные искажения в усилителях. Одной из первых ламп, специально предназначенных для усилителей с малыми искажениями, можно назвать американский триод типа 76.

В последствии, когда отрицательная обратная связь стала широко распространенной, стало выгоднее уменьшать искажения, жертвуя коэффициентом усиления, но, повинуюсь, старым добрым традициям, разработчики на это шли далеко не всегда. Поэтому последнее поколение ламп (например, серий ЕСС83/12АХ7, и т. п.) имеет более высокий коэффициент усиления, но больше искажений.

Электронные лампы с малыми искажениями также требовались и телекоммуникационным компаниям, но не потому, что они были сильно озабочены точностью воспроизведения речевых сигналов. Проблема линейности возникла тогда, когда было принято решение о внедрении многоканальных систем передачи телефонных каналов. Если нужно обеспечить тысячу телефонных каналов между двумя городами на расстоянии десяти миль, можно проложить 1000 витых пар, но кабель, содержащий такое количество проводов, дорогостоящий и его трудно прокладывать. Решение, принятое компаниями электросвязи было оригинальным, но единственно правильным — модулировать на каждом телефонном канале несущую частоту радиодиапазона, как это делается в радиосвязи и радиовещании. Причем, каждому телефонному каналу при этом выделяется своя частота. Стоит заметить, что такой принцип частотного уплотнения каналов сегодня, в век цифровой техники, считается устаревшим, но в те далекие годы он был единственно возможным. Групповой радиосигнал, содержащий 1000 модулированных несущих можно передать при помощи одного единственного коаксиального кабеля, который достаточно дешев и легко прокладывался. Однако, все кабели вносят потери. При реальных расстояниях между городами (а в особо крупных городах и между районами в пределах города) потери становится существенными, поэтому всем таким кабельным линиям связи необходимы промежуточные усилители, которые обычно устанавливаются через равные расстояния. Одно из многих преимуществ многоканальной передачи телефонных каналов — как тысяча телефонных каналов в одном кабеле для рассматриваемого примера — также является то, что необходим только один промежуточный усилитель группового сигнала, вместо тысячи раздельных. Но этот усилитель обязательно должен быть сверхлинейным! Иначе нелинейные составляющие от одного телефонного канала будут неизбежно попадать в полосу соседнего. Таким образом, любые нелинейные искажения искажение в усилителе группового сигнала вызывает наложение одного телефонного разговора на другой. Электронные лампы, разработанные для использования в промежуточных усилителях широкополосной многоканальной телефонии, таким образом, просто должны генерировать минимум нелинейных искажений.

Во многих электронных лампах последнего поколения применяется сетка на каркасе. Некоторые, например, лампы серий 417/5842, были разработаны для малых искажений, другие, например, ЕСС88/ Е88СС, просто извлекли пользу от улучшенной технологии производства и создают мало искажений. Некоторые электронные лампы, например, тип Е182СС и тип 6350 были разработаны для использования в первых цифровых компьютерах, где наиболее важна долговечность даже с полным нагревом и отсутствием тока анода, который вызывает рост сопротивления переходного слоя катода. Другие электронные лампы были разработаны и изготовлены без учета искажений.

Проблема выходной ступени генератора кадровой развертки в старых ламповых телевизорах очень похожа на проблему аудиоусилителя, имеющего в качестве нагрузки громкоговоритель. Оба устройства используют выходные трансформаторы для согласования электронной лампы с нагрузкой и работают в звуковом частотном диапазоне. Тем не менее, телевизионные отклоняющие катушки развертки приводятся в действие управляющим током, а не напряжением как в стандартных громкоговорителях. К сожалению, ограниченная индуктивность первичной обмотки L_п выходного трансформатора формирует ток самоиндукции в дополнение к току отклоняющей катушки развертки, и это означает, что общий ток необходимый от лампы генератора кадровой развертки искажен по сравнению с идеальным током, требуемым отклоняющими катушками. На практике использовались многие способы достижения требуемой кривизны формы отклоняющего тока развертки — например, использование кривизны выходных характеристик триода. Так как индуктивность первичной обмотки L_n выходного трансформатора кадров не регулируется, требуемая кривизна развертывающего тока должна быть управляемой, поэтому в цепь катода электронной лампы выходного каскада кадровой развертки часто включался переменный резистор, чтобы корректировать линейность изображения по вертикали.

Основная проблема использования в аудио усилителях ламп, предназначенных для работы в генераторах кадровой развертки телевизоров, — отсутствие каких-либо серьезных требований разработчиках к их искажениям. Связано это с тем, что, как упоминалось выше, для обеспечения требуемой линейности развертки, достаточно установить катодный потенциометр — регулятор. Ранние разработки ламп для кадровой развертки, например, сдвоенный триод 6ВХ7, дают широкие отклонения по искажениям, поэтому такие лампы должны отбираться индивидуально при использования в аудиотехнике. Вероятность обнаружения пары ламп с малыми искажениями в одной колбе низка, поэтому отбор пары с малыми искажениями среди одиночных триодов 6АН4 аналогичного назначения было бы намного более дешевой альтернативой. Более позднее поколение ламп, например, ЕСС82 (также предназначенных для использования в генераторах кадровой развертки телевизоров) извлекло пользу из улучшенной технологии производства и искажения крайне унифицированы от экземпляра к экземпляру: они единообразно плохие.

Проблема карбонирования баллонов ламп

Еще Декет (Deketh) подчеркивал, что не все электроны, двигающиеся к аноду лампы притягиваются — некоторые «промахиваются» и сталкиваются с баллоном лампы (колбой), порождая вторичную эмиссию. Вторичная эмиссия является важной, потому что она означает, что колба, потерявшая эти самые вторичные электроны, приобретает отрицательный заряд, который искривляет путь электронов от катода к аноду, что приводит и ухудшению линейности лампы. Декет рассматривал искажения при высоких амплитудах в мощных лампах и показал, что карбонизирование внутренней поверхности колбы является весьма полезным, потому что уменьшает вторичную эмиссию. В то время никого не волновали аудио искажения < 1 %, и Декет не мог иметь доступа к звуковому спектральному анализатору, поэтому он не публиковал результаты искажений более низкого уровня. Тем не менее, измерения автора при уровне сигнала +28 дБ (≈ 19,5 В действующего значения напряжения) показывают существенно уменьшенные (≈ —6 дБ) искажения для ламп типа 6SN7, имеющих карбонизированную колбу, по сравнению с непокрытыми колбами.

Проблема размагничивания ламп

Направление электронного потока в лампах определяется прежде всего электрическим полем анода, но всегда нужно помнить, что электроны также могут быть отклонены магнитными полями. Магнитное поле земли довольно слабое, так что маловероятно, что ориентировка лампы в любом конкретном направлении повлияет на искажения, но многие электроды ламп часто делаются из никеля, который может легко намагнититься. Если конструкция лампы выполнена из концентрических цилиндрических электродов, магнитные отклонения не имеют значения, разве только они заставят часть электронов пролетать мимо анода, но коробчатая конструкция не имеет радиальной симметрии, поэтому горизонтальное магнитное отклонение может влиять на ток анода.

Лучевые тетроды с совмещенными сетками наиболее чувствительны к магнитным полям, потому что вертикальное магнитное отклонение вызывает перехват экранирующей сеткой плоских электронных пучков вместо того, чтобы пропускать их между вертикально выровненными витками. Таким образом, магнитное поле может изменить соотношение анодного и экранного токов I_a /I_c2 и было бы заблуждением предположить, что это не влияет на искажения. Несколько лет назад, используя катушку, предназначенную для размагничивания телевизионных кинескопов, автор в шутку размагнитил лампу типа КТ88 (лучевой тетрод с совмещенными сетками) усилителя мощности, и все услышали небольшое отличие в качестве звучания усилителя!

Нужно принять во внимание, что размагничивание требует, чтобы магнитный материал был доведен до насыщения в обоих направлениях, а затем плавно снижать размагничивающее поле, уменьшая петли гистерезиса до тех пор, пока остаточный магнетизм не будет равен нулю. Таким образом, намагничивание, и размагничивание достигнуто решением в лоб — катушка размагничивания была 10 дюймов (250 мм) в диаметре, потребляя 750 ВА, и рассчитана только для периодического использования.

Необходимость тестирования для отбора электронных ламп с малыми искажениями

При проектировании каскадов усиления мощности зачастую во главу угла ставится проблема получения максимальной мощности, а о необходимости минимизации искажений вспоминают лишь во вторую очередь, что неправильно. Хотя, при больших уровнях сигнала, что и имеет место быть в каскадах усиления мощности, требования к искажениям более мягкие, нежели, чем в каскадах предварительного усиления, работающих при малых сигналах. В самых первых каскадах предварительного усиления над проблемой искажений превалирует проблема низкого уровня собственных шумов и высокого коэффициента усиления, что успешно решается применением специальных малошумящих ламп с высокой крутизной. Тем не менее, применение в каскадах усиления ламп, обладающих низкими искажениями, всегда способствует улучшению качества звучания усилителя.

Поскольку, наиболее жесткие требования по искажениям предъявляются к промежуточным каскадам усилителя, от которых не требуется ни повышенной мощности, ни особо низкого уровня шумов, то от линейных ламп не требуется и особо высокой крутизны. Высокий внутренний статический коэффициент усиления μ лампы может быть также нежелателен, поскольку в усилителях часто предполагается использование неглубокой отрицательной обратной связи, чтобы уменьшить искажения. К сожалению, большинство ламп с низким μ были разработаны для телевизионной кадровой развертки, поэтому их искажения не внушают доверия, пока не проведен индивидуальный отбор. Большинство же электронных ламп, пригодных для усиления звуковой частоты, имеют средний μ, и полезную мощность P_0(макс) < 5 Вт.

Лампы серии SN7 широко распространены, как лампы с малыми искажениями, но насколько хорошо они оправдывают свою репутацию? Имея ввиду, что электронные лампы этой серии собирались вручную и имеют большой производственный допуск, имеется ли «лучшая» лампа или изготовитель со средними μ? В последующих разделах ищутся ответы на эти вопросы, приводя отчеты о проверке выбранных ламп со средними μ в идентичных режимах.

Схема проверки

Если требуется усилительный каскад с малыми искажениями, то в качестве такового целесообразно применить несимметричный каскад с активной нагрузкой или дифференциальную пара с резистивной нагрузкой и приемником неизменяющегося тока в цепи катода. Как уже говорилось выше, схемотехническими приемами можно уменьшить искажения, но многое зависит и от самой лампы. Подбор ламп с малыми искажениями всегда трудная задача, требующая измерения искажений в каскаде преднамеренно разработанного с малыми искажениями, причем для объективной оценки наиболее полезны разные условия проверки.

Если позже, использовать топологию схемы, которая не минимизирует искажения, и выяснится, что лампа «А» при этом звучит лучше, чем лампа «В», то это потому, что электронная лампа «А» подходит для этой топологии схемы лучше, чем лампа «В», а не потому, что лампа «А» «лучше », чем лампа «В».

Как упоминалось ранее, искажения усилителя на триоде в основном обуславливаются изменением внутреннего сопротивления лампы r_а с изменением анодного тока I_а. При условии, что сопротивление нагрузки каскада R_H >> r_a, изменение из r_а незначительно, таким образом искажения могут быть уменьшены максимизацией R_H. Кроме того, электронная лампа должна пропускать достаточный ток анода для установки ее рабочей точки вне точки обычного схождения анодных статических характеристик при малых токах. В соответствии с вышесказанным, электронные лампы были опробованы в μ-повторителе (рис. 4.22), пропускающем ток анода ≈ 8 мА. На нити накала подавался стабилизированный постоянный ток. В этой схеме, активная нагрузка тестируемой лампы эквивалентна R_H ≈ 800 кОм. Это далеко не самая большая величина, однако заведомо больше, чем обеспечивается в обычном резисторном каскаде усиления, где при тех же 800 кОм резистивной нагрузки потребовалось бы высокое напряжение питания 6,4 кВ.

Рис. 4.22 Схема проверки лампы со средним μ

Уровни и частоты проверочной схемы

Поскольку ожидается низкий уровень искажений, то лампы должны быть опробованы при достаточно высоком уровне выходного сигнала, чтобы искажения были легко измеряемы, но ниже уровня ограничения. Уровень +28 дБ (≈ 19,5 В действующего значения напряжения) оказался хорошим компромиссом, поэтому все электронные лампы испытывались при фиксированном уровне входного сигнала, чтобы выдавать точно +28 дБ на выходе. Искажения во всех проверенных лампах прямо пропорционально уровню, поэтому искажения при более низких уровнях могут быть экстраполированы из результатов уже проведенных испытаний.

Хотя первоначально лампы проверялись при частотах входного сигнала 120 Гц, 1 кГц и 10 кГц, искажения проверяемой схемы совершенно не зависели от частоты, поэтому впоследствии электронные лампы тестировались только при 1 кГц. Для большинства ламп, гармоники выше 6-й были слишком слабы для надежного измерения, поэтому измерения выполнялись только до 6-й гармоники включительно.

Результаты испытаний

Все опробованные электронные лампы были из старых запасов, таким образом, самые новые лампы хранились по крайней мере 20 полных лет, а самые старые 50. Поскольку многие лампы сняты с производства десятилетия назад, некоторые типы имелись в наличии только в нескольких экземплярах.

Необработанные данные измерений были проанализированы в электронных таблицах, и разбиты на различные группы, значительно отличающиеся друг от друга по результатам.

В следующей таблице (табл. 4.6) приведены результаты тестирования ламп серий 6SN7GT/12SN7GT и их прямых эквивалентов. Количество экземпляров означает число индивидуальных проверенных триодов, а не баллонов (у ламп этой серии в одном баллоне смонтировано по два триода). В таблице приведены усредненные результаты измерения искажений по 2-й, 3-ей и 4-й гармоникам для каждого типа ламп, а также приведены среднеквадратические отклонения этих величин для группы ламп одного типа.

В следующей таблице (табл. 4.7) нормализованы результаты испытаний искажений ламп серий 6SN7GT/12SN7GT, представленные в виде, удобном для сравнения.

Интерпретация измерений

Изготовители утверждают, что все однотипные электронные лампы являются электрически эквивалентными и имеют незначительный разброс параметров. Тем не ме-

нее, имеются существенные различия между лампами, и полезные заключения могут быть выведены из следующей второй таблицы (табл. 4.7):

• электронные лампы с карбонизированными стеклянными колбами генерируют меньше искажений. Декет писал, что карбонизированные колбы уменьшают искажения при максимальной мощности, но эта серия испытаний показывает, что улучшение пропорционально уровню, и что карбонизированные колбы существенно уменьшают искажения на малых амплитудах;

• лампы типа RCA 6J5 имеют значительно более высокие искажения, чем тип 6J5GT, возможно из-за увеличенного количества ионов, порождаемых выделением газа металлическими колбами, что вызывает увеличение сеточного тока;

• несмотря на наличие прозрачной колбы, лампа 6J5GT (сделана в СССР в 1930-е годы) генерирует очень низкие искажения — существенно лучше, чем любые другие представители ламп серии 6J5GT;

• цоколь ламп группы Loktal™ был специально разработан, чтобы уменьшить паразитную емкость и индуктивность, удалением стеклянной гребешковой ножки, требуемой для цоколей Octal, следовательно, лампы серии 6SN7GT/12SN7GT имеют паразитную емкость С_ас = 4 пФ, тогда как лампа типа 7N7 имеет паразитную емкость С_ас = 3 пФ;

• некоторые электронные лампы были отобраны для тестирования из стандартной производственной линии их изготовителями. Этот тест не показал значительного отличия в искажениях для ламп типа 12SX7 (разновидность ламп серии 12SN7GT, отобранных по крутизне характеристики прямой передачи при V_a = 28 В) по сравнению с обычными лампами серии 6SN7GT/12SN7GT;

• нелинейные гармонические искажения по 3-й гармонике одиночного триода типа 7А4 с цоколем Loktal™ являются очень неутешительными, но так как только три образца были доступны для испытания, то результаты статистически не безусловны.

Семейство ламп *SN7GT изготавливались с четырьмя различными конструкциями нити накала и на разные накальные напряжения, поэтому в следующей таблице (табл. 4.8) сравниваются различные типы.

Как можно заметить из таблицы, мощность нити накала является почти идентичной для каждого типа. Физически, лампа типа 6SN7GT имеет нити накала, вмонтированные внутри параллельно, тогда как лампа типа 12SN7GT имеет те же нити, вмонтированные последовательно, причем конструкция подогревателя идентичная, поэтому искажения должны быть подобные. В следующей таблице (табл. 4.9) более подробно сравниваются искажения ламп типов 6SN7GT и 12SN7GT.

Две лампы подобны - разность находится в пределах погрешности. Подобным образом, можно сравнить и лампы типов 7N7 с 14N7 (табл. 4.10).

Снова можно ожидать, что искажения у этих двух типов ламп будут подобны (результаты измерений приведены в табл. 4.11).

Подведение итогов: — различия между лампами, имеющими различные напряжения нити накала при одинаковой их конструкции, лежат в пределах погрешности. Это хорошая новость, потому что это означает, что мы не обязательно должны использовать более дорогостоящие электронные лампы с нитью накала 6,3 В, а можем использовать дешевые и более распространенные электронные лампы с нитью накала 12,6 В, и наслаждаться уменьшением индуцированных помех от источника промышленной частоты, вызванное уменьшением тока нити накала.

В дальнейшем изложении автор принял определенную условность, которая будет использоваться. Установив, что лампы типов 6J5GT, 6SN7GT, 12SN7GT, 7N7, 14N7 являются электрически почти идентичными, и что лампы типов 8SN7GT и 25SN7GT также подобны, в целях избежания длительных перечислений, это семейство будет называться *SN7/*N7. Однако, не следует путать эту группу с лампами типа 6N7, параметры которых иные.

Альтернативные электронные лампы со средним μ

В следующей таблице (табл. 4.12) показаны возможные альтернативы для замены ламп семейства *SN7/*N7. Также как и в предыдущих случаях, в таблице приведены усредненные уровни 2-й, 3-й, 4-й гармоник и среднеквадратические отклонения их значений для выборки ламп.

Для каждой лампы, статический внутренний коэффициент усиления μ был определен по анодным статическим характеристикам для рабочей точки с анодным током 8 мА.

Следующая таблица (табл. 4.13) позволяет быстро сравнить эти альтернативные варианты, нормируя их искажения, по сравнению с лампами серии 6SN7GT/12SN7GT.

Результаты говорят сами за себя. Все альтернативные варианты являются хуже семейства *SN7/*N7, и производят существенно больше искажений на самой неприятной для человеческого восприятия 3-й гармонике.

Сдвоенный триод с цоколем Loctal типа 7AF7 и сдвоенный триод типа В9А ЕСС82 являются практически неприемлемыми для применения в высококачественных усилителях. Весьма возможно, что эти электронные лампы имеют конструкцию электродов, которая существенно уменьшает паразитную емкость С_ас по сравнению с семейством ламп *SN7/*N7 (2,3 пФ и 1,6 пФ по сравнению с 4,0 пФ). Эти испытания показывают, что необходимые меры по уменьшению емкости С_ас в структуре электродов могут неблагоприятно влиять на искажения.

Были существенные различия между лампой Philips 5687WB и образцами других изготовителей, по этой причине этот тип был выделен отдельно. Хотя у Philips уровни 2-й и 3-й гармоник существенно больше, чем у конкурирующих изготовителей, 2-я по большей части сводится к нулю, если лампа используется в дифференциальной паре.

Взвешенные результаты искажений

В начале были предложены весовые коэффициенты искажений, как полезная методика, поэтому данные в следующей таблице (табл. 4.14) являются взвешенными в соответствии с документацией Международного консультативного комитета по радиовещанию МККР/ARM. Так как эти конкретные испытания были ограничены до 6-й гармоники (6,3 кГц является основной частотой для МККР/ARM), а искажения преобладали по 2-й гармонике, разность между МККР/ ARM и рекомендациями Шорта составила только ≈ 0,1 дБ.

Итак, в соответствии с описанной выше методикой, всего было проверено 529 электронных ламп, и результаты показывают, что хорошая репутация ламп семейства *SN7/*N7 подтверждена. Искажения сдвоенных триодов различны в разных экземплярах, с некоторыми значительными тенденциями, заметными между разными изготовителями. Если индивидуальные измерения и отбор ламп с малыми искажениями невозможен, то следует помнить, что электронные лампы с карбонизированной колбой семейства *SN7/*N7 производят самые низкие искажения. Если они не доступны, то лампы типов 7N7, 14N7 или Pinnacle 6J5GT будут хорошим выбором. Электронные лампы с основанием В9А значительно хуже.

Информация

Razin & Musatoff

Страница Дмитрия Иоффе, инженера-схемотехника

Обмен файлами по NFS

Программы для сетей магазинов, ломбардов, бутиков

Разработка сайтов

Продолжение